电子信息工程----基于微芯片的超声波视力保护仪

来源: 长沙中视澜庭教育咨询有限公司  日期:2018-01-13 15:17:43  点击:259 

 您若需要更全面指导,咨询请加QQ:157677920(张老师)2593328532(李老师),微信(电话同号):17051272921。
电子----基于微芯片的超声波视力保护仪

来源:   日期:2017-09-15 00:05:57  点击:1  属于:
 
摘  要
随着现代社会的高速发展各种高科技电子产品层出不穷如电脑、电视等,还加上学习压力的加重等诸多因素,青少年因此长时间不间断用眼,我国学生近视比例越来越严重。
本论文讲述了一种在微芯片基础上实现的关于超声波视力保护器的制造。该制造以89C52为主要核心,能实现距离、温度检测、学习长短等监测及警示等作用,通过液晶显示屏展现各种信息参数,并能在运行中同时改变各种参数的初始值来满足各种使用者的要求。超声波传感器进行测距,光敏元件实现光照强度检测,89C52单片机中的定时器会进行定时。程序设计方面采用C语言来编程,设计理念运用了模块化的思想。该系统简易且实用,能很好的保护青少年的视力。
关键词:STC89C52;超声波;视力保护
基于微芯片的超声波视力保护仪
1  引    言
随着经济的飞速发展,人们生活水平的提高,物质不能使人们满意了,人们更注重的是享受生活,享受生活中的健康与幸福。近年来,各种电子产品层出不穷,电视、电脑、手机不断改革创新,让人们应接不暇,同时也让青少年们兴奋不已尝试着各种新玩意。从而导致青少年们用眼过度不加节制,因而青少年视力低下成了现代大人最头疼的问题。
青少年之所以容易近视主要有以下两个原因:第一:长时间不间断地盯着电脑电视或书本看;第二:看电视或看电脑时离电视电脑屏幕太近。超声波视力保护仪可以有效改善这种情况。当眼睛离被测物距离在30cm以内时,保护仪就会发出警报声阻止人离被测物太近;此款视力保护仪的开机时间默认为45分钟,意在提醒人们看书或看电脑时间不能太久,看45分钟后就要休息10分钟。另外,除了以上功能外,此款视力保护仪还能检测空气中的温度。所以由此可看出超声波视力保护仪的研发迫在眉睫。
1.1 研究的背景
单片机技术的日趋成熟使得其稳定、安全、高效、优惠等优点十分突出,所以其应用范围也不断扩大化。单片机技术随处可见,与我们的生活紧密相连,比如我们家庭里的各种电子产品如碟片机、手机、洗衣机、电视、电脑等各种电子产品都有用到单片机。单片机最大的特点就是集成特性强,其内部是一个简化的计算机系统,只要在其外部加上一些简单的电路就能达成各种功能。它具有强大的数据处理功能,这个特性跟计算机是类似的。只要算法科学合适,它就能拥有强大的数据处理能力。因为单片机具备数据处理强、集成特性强等优点,所以它在工业上得到广大的应用。
于此同时,随着社会的持续发展,超声波技术得到越来越广泛的应用。它由于是非接触性检测技术所以不受环境恶劣的影响如含粉尘的地方,因此它在很多领域用得很广泛,比如测绘地形、建造房屋、桥梁、开挖油井、矿山、倒车、测井深、管道长度等等地方都普遍应用[1]。另外,用超声波技术探测往往准确,易于计算、方便等各种优点有利于被应用于工业领域。
由于新社会环境下学生的学习压力不断加大,青少年用眼频繁,造成了青少年近视数量不断提高。国家统计局一项最新调查显示,目前我国的各个学生群视力低下的人数不断增加[2]。各种比例数据看来令人不寒而栗。另一项报告调查显示,当前我国学生近视人数是全世界最高的,全国近视的还有患眼疾的将近3亿人,严重程度不得不引起社会的重视。
在这种情况下,开发出一款经济又实用的视力保护器的任务便迫在眉睫。通过这款视力保护器来使人们的眼睛处于一种健康的环境下。不用医学和吃药的手段来纠正不好的读写习惯,从而避免人们因长时间坐姿不良导致的近视、驼背等病因。
1.2 研究的目的与意义
经过科学家的不断努力钻研,使得防止近视的各种产品经历了一个从简单到复杂、从技术不成熟到成熟、从单一到多元化的历程。此外,科学家又在新的基础上研究。导致各种防近视产品层出不穷,让人们的选择性也加大了,也给防近视产品市场注入了源源不断的生机。
坐落于新疆乌鲁木齐的市旭之龙科技有限公司生产的坐视宝,可以对人们的不良坐姿提出警告[3]。还有另一款深圳厂家制造的MS-3023型号的坐姿纠正器,可以矫正你在读写时的不好的坐姿。从以上两种产品大致看来,目前国内所生产的防近视保护器技术上还不是很成熟,功能相对单一,很多地方尚不能满足人们的需求。
国内外都在研究但是国外更侧重于内在研究。美国某知名大学的何于光博士认为通过巧妙的饮食习惯,还有配合正确的学习习惯,就能使得视力保护起到出乎意料的效果。比如多吃一些鱼和新鲜蔬菜。
总体看来,目前的很多防近视产品只是侧重于保护视力,功能并不齐全,不能起到全方位的保护功能。
1.3 研究的内容
这次研究主要是以微芯片为主体在其功能上实现各种作用如时间定时、坐姿矫正、报警和检测温度等等。先对各子单元电路进行设计,并对号入座的选择适用的电子元件。要时刻记住选择性价比高的电子元器件,对于一些常用的电子元件如电阻电容等要先计算参数才能选择;然后再进行总电路的设计,并对各子电路的不同功能在计算机上进行调试仿真。选用功能较强大且性价比高的STC89C52作为核心芯片,超声波传感器实现坐姿改正,光敏电阻用来报警,报警发声蜂鸣器电路实现。
本次课题的主要研究设计一个超声波视力保护器。它具备以下功能和特点:
(1)当眼睛与读物之间的距离进入设定的距离30厘米内时,电路就会发出警报声提醒使用者;
(2)当使用时间达到45分钟时,电路就会自动关机,提醒使用者休息;
(3)电路安全可靠,并且功能也都满足。真正帮助学生端正最标准坐姿。

2  电路方案论证
2.1 方案比较
2.1.1 激光测距方案 
脉冲法和相位法是激光测距的两种测距方法。脉冲法是用激光被发射与被接收的时间差的原理计算距离。测距仪和被测量物体之间的距离就是光速和往返时间相乘后的一半。而相位法测距原理则是运用波长的原理。
2.1.2 超声波测距原理
超声波测距很好的利用超声波在空气中的传播速度是已知的这一法则。测距原理跟雷达测距相似就是测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射电到障碍物的实际距离[4]。超声波被发射器向着某一个方向发射后就会开始计时。超声波发出后遇到障碍物被反射回来,当反射回来时发射器停止计时。
综合以上两种方案可以得出,方案二设计简单,实践结果也比较精确。因此,采用方案二。
2.2 电路总体方案
此次设计运用STC89C52单片机为核心控制元件,光敏电阻采集光线,并将光线分级别,有了它就能进行区别报警了;还有人脸部与读物之间的间隔就用超声波传感器来测量,当人脸进入设定距离范围内时就发出报警声提醒;单片机内部含有定时功能可以实现定时功能,当使用时间到了其设定的时间的时候电路就会
 
 
 
 
 
 
 
 
关机提醒使用者休息;报警电路主要靠蜂鸣器,而蜂鸣器要经过三极管驱动才可以运行。系统大致框图如图2-1所示。
 
 
 
 
 
 
图2-1  系统总体方框图
2.3 系统的模块组成
超声波视力保护器以STC89C52为其核心单元,单片机尽显其控制简单、方便、快捷的优势。完成各项作用如系统的自动报警与提醒,处理超声波所测信号等等。归结以上可以知道,单片机强大的控制功能和运算功能的资源就可以被充分发挥出来了,另外STC89C52单片机性价比高,所以这种方案既简单又实惠。
本系统含有以下几大模块如下:
液晶模块:用LCD1602液晶进行显示。LCD1602由于其显示清晰且内容丰富,再加上显示快速而运用极广。在这次设计中优势得到很大发挥。
报警模块:蜂鸣器进行报警。蜂鸣器有很多的优点如,轻便且使用方便,价格优惠。完全满足设计种种要求,能够推动视力保护器的普及。
坐姿矫正模块:坐姿矫正系统运用超声波传感器的原理进行矫正坐姿。当人的脸部靠近读物30厘米以内是就会发出报警声。超声波传感器不仅体积小质量轻使用方便,且价格实惠,是不错的选择。

3  单片机概述
3.1 STC89C52主要性能
STC89C52防止外界侵扰能力很强,加密功能强大,可以速度很快的在线编程,是消耗率低的COMS8位微芯片。片内含只读程序存储器可来回擦掉重写和随机数据存储器,该器件融合各种高技术存储技术,芯片内安放着8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的STC89C52微芯片被广泛应用于各种各样复杂的场合[5]
3.2 STC89C52外部结构及特征
STC89C52有40脚和44脚两种外形封装方式,直插式40 脚封装(DIP)和外部总线结构如图3-1所示。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图3-1  STC89C52DIP与外部总线图
STC89C52的 4 个I/O口的功能:这几个I/O口都是8位的,P0口是漏极开路的双向口。P1口也是双向的其内部有上拉电阻。P2输出缓冲器能驱动的个数与P1口一样。在 flash 编程和校验时,P2 口也会接收一些控制信号和高 8 位地址字节[6]。当P3口其处于FLASH编程的情况下时与P1、P2功能一样,功能如下:
l  P3.0  RXD(串行输入口)                 
l  P3.1  TXD(串行输出口)
l  P3.2  INTO(外部中断0 输入口)           
l  P3.3  INT1(外部中断 1 输入口)
l  P3.4  TO(定时器 0 外部输入)             
l  P3.5  TI(定时器 1 外部输入)
l  P3.6  WR(外部数据存储器写选通信号)  
l  P3.7  (外部数据存储器读选通信号)
3.3 STC89C52内部构造
STC89C52单片机拥有相当于一台计算机所需要的基本功能部件。在一块芯片中集成了各种功能部件如 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、看门狗和I/O 口设备等。
STC89C52单片机内包含的具体部分如下:
一个8位CPU。 
三个16 位定时器/计数器。
一个片内振荡器和一个时钟电路。 
256 B RAM数据存储器。 
8KB Flash程序存储器。
64KB 的外部程序存储器空间的控制电路和可寻址 64KB 的外部数据存储器。 32 条可编程的 I/O线。 
一个可编程全双工串口通信。 
2个优先级嵌套中断结构还有8 个中断源。 
 
 
 
 
 
 
 
 
STC89C52单片机的框图如图3-2所示,各功能部件由内部总线连接在一起。
 
图3-2  STC89C52单片机框图
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4  超声波测距模块
4.1 超声波传感器介绍
超声波具有很多优点,比如能较好辨别方向、传播速度快而远、频率高、能量不易消耗等等。很多测距仪器都利用了超声波的原理实现距离测量的。超声波测距同时也可以替换在很多艰难环境下别的技术做不到的距离测量工程。超声波测距由于使用起来方便、计算简单、容易把握时间控制住而且计算精度也很高,还有适用于各种工业环境而受到重视并被广泛应用。
超声传感器可以将其他能量转换为我们需要的频率的超声波同时也能将超声波转换为同频率的其他能量[7]。电声型与流体动力型是目前较为常用的两款超声波传感器。超声波传感器会因为频率与用途不同而有不同的名称和不同的结构。习惯上都把超声传感器称作探头当其应用于超声波检测时,而工业中常称为“哨”或“笛”。压电传感器可以实现电能和声能相互转换,所以应用极广。晶体和压电陶瓷是较常用的两类压电材料。此两类压电材料不仅能影响电场还能在有外力作用下产生电场。所以,只要将不断变化的电场施加给它,那么它就会产生超声振动。
传感器的核心是压电晶片,其本身能实现正压电效应和逆压电效应。逆压电效应原理主要受外界刺激。反过来就是正压电效应。逆压电效应用于超声波的发射,超声波的接收则由正压电效应实现。这种超声传感器由于材料用得少且价格便宜同时也能实现在液体气体中传播。利用在压电陶瓷上加入方向与大小都会不断变化的交流电会激发压电变形,并且变形方向与大小与交流电一致的这种原理。超声波作用于压电材料后。压电晶片就会产生与超声波频率相同的电信号。
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板,压电晶片在外界加的脉冲信号频率等于其中心频率时就会共振,同时共振板也会跟着振动,这样就产生了超声波[8]。从图上可知当这两个压电晶片之间没有在其外界加电压的时候,超声波发生器就会有另一种用途即超声波传感器。
 
 
 
 
 
超声波发生器内部结构如图4-1所示。
 
 
 
 
 
图4-1  压电式超声波传感器结构图
压电陶瓷晶片有一个固定的中心频率 f0。所施加的交变电流频率要与这个中心频率要相等才能发射超声波。要想快速方便的改变其固有谐振频率只要当压电材料一样时,改变它的尺寸就可以了。之所以能很快的制成各种不同频率的超声波传感器就是利用这一原理。
压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成超声波传感器。其中,传感器的最主要元件是第一个组成部分,发射和接收超声波能量集中则要靠第二个元件,金属壳和金属网起保护作用。
4.2 HC-SR04超声波测距模块的性能特点
HC-SR04超声波测距模块是一种非接触式技术,它的距离感测范围为两厘米到四百厘米之间,测距精度极高,主要由控制电路和超声波发射接收器组成。
本模块性能好测距准,还有速度快,体型小,全面扫射等优点。
4.3 HC-SR04的管教排列和电气参数
4.3.1 管脚简介
HC-SR04的管脚功能。
(1)电源是5V的;
(2)GND为地线;
(3)TRIG是触发控制信号的输入;
(4)ECH0为回响信号的输出。
 
 
 
HC-SR04的管脚排列如图4-2所示。
 
 
 
 
 
 
图4-2  外形及管脚排列图
4.3.2 HC-SR04的电气参数
电气参数如表4-1所示:
表4-1  电气参数表
电气参数 HC-SR04超声波模块
工作电压 DC 5V
工作电流 15mA
工作频率 40Hz
最远射程 4m
最近射程 2cm
测量角度 15度
输入触发信号 10us的TTL脉冲
输出回响信号 输出TTL电平信号,与射程成比例
规格尺寸 45*20*15mm
 
 
 
 
4.4 超声波时序图
超声波时序图如图4-3所示。
 
图4-3  外形及管脚排列图
这个时序图告诉我们只用提供一个脉冲触发信号但是要在10us以上,该模块内部就可以不间断地一直发出40kHz的脉冲八个并检查回波。回来的信号的脉冲宽度会与所测的距离成正比。由发射信号到回响信号发回的时间差就能计算距离。公式:距离=高电平时间*声速(340M/S)/2;周期应该尽可能的长避免检测中的误差。
 

相关文章

    暂无信息